《集成电路设计》复习资料3（电路模拟与SPICE）

1. 电路设计与电路模拟

1.1 电路设计的定义

电路设计是根据给定的功能和特性指标要求，通过各种方法，确定采用的线路拓扑结构以及各个元器件参数的过程。

1.2 电路设计基本流程

Yes
No
No
设计指标要求
选择电路方案
确定参数
选择分析方法
人工计算/解析法
实验方法
通用电路模拟软件
结果比较
性能满足要求
确定设计方案
修改电路方案
修改电路参数

1.3 电路模拟的概念与优点

概念：根据电路的拓扑结构和元件参数，将电路问题转换成适当的数学方程并求解，根据计算结果检验电路设计的正确性。
主要手段：设计人员初步确定电路结构和参数后，利用电路模拟软件进行模拟分析、判断、修改和优化。
优点：
- 不需要实际的物理元件。
- 可以进行各种模拟，甚至是破坏性模拟。

2. SPICE简介

全称： Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis（重点用于集成电路的模拟程序）。
性质：功能强大的通用模拟电路仿真器。
版本演进 ： SPICE → SPICE2 → SPICE3。普遍认为 SPICE2G5 是最为成功和有效的版本。
常见商业软件 ：
Hspice (Synopsys) 工业标准，精度高、功能强，但无图形前端，需手动编写网表，主要用于集成电路设计。
Pspice (Cadence) 个人用户的最佳选择，具有友好的图形化前端输入环境，性价比高。

3. 通用电路模拟程序的基本组成

通用电路模拟程序通常由以下五个核心部分构成：

3.1 输入处理

功能：接受用户的输入文件（网表），获取模拟所需的数据。
内容：
- 电路的拓扑结构
- 元件参数
- 分析类型（如DC, AC, TRAN）
- 输出内容要求

3.2 器件模型的建立与处理

功能：用数学模型代替具体的物理器件。
要求：模型需能正确反映器件的物理和电学特性，并便于计算机数值计算。
建模方法 ：
- 基于物理机理：从器件的物理方程出发构建模型。
- 黑箱法：仅从器件的端口电学特性出发建立模型，不涉及内部物理机理。
模型选择： SPICE中提供多种模型供用户选择，例如双极晶体管有EM1、EM2、EM3和GP模型。

3.3 电路方程的建立

功能：根据输入信息自动建立描述电路行为的数学方程。
常用方法 ： 节点电压法（Nodal Analysis）是最早且最广泛使用的方法。

3.4 求解电路方程

根据分析类型的不同，电路方程的形式和求解方法也不同：

线性代数方程组 （直流分析）采用高斯消元法 或LU分解法。
非线性代数方程组 （直流工作点分析）采用牛顿-拉夫森法（Newton-Raphson）迭代求解。
非线性常微分方程组 （瞬态分析）采用变步长隐式积分法求解。

3.5 输出处理

功能：将仿真结果以用户可读的形式呈现。
内容：与分析类型相对应，如节点电压、支路电流等。
方式：图形（波形图）和表格（数据列表）。

4. SPICE进行电路模拟的基本流程

输入文件形式：

PSpice：支持文本形式和原理图形式。

Hspice：仅支持文本形式（网表）。

5. SPICE的主要功能

5.1 直流分析（DC Analysis）

目的：计算电路在直流电源作用下的工作状态。
子类型 ：
- **直流工作点分析 **(.OP) 计算电路静态工作点，是其他分析的基础。
- **直流扫描分析 **(.DC) 扫描直流电源、温度或元件参数，观察其对电路性能的影响。
- 转移函数分析：计算小信号下的电压增益、输入/输出电阻等。

5.2 瞬态分析（Transient Analysis）

目的：计算电路中电压和电流随时间的变化（时域分析）。
重要性：在输入为时变信号（如脉冲、正弦波）时尤为重要，可观察各点的波形和相位关系。
控制语句 ： .TRAN TSTEP TSTOP <TSTART> <TMAX>

5.3 交流分析（AC Analysis）

目的：进行线性小信号交流分析（频域分析）。
原理：在直流工作点附近将非线性元件线性化，然后施加扫频信号。
输出：幅频特性、相频特性、输入/输出电阻等。
相关分析 ：
- 噪声分析：计算电阻热噪声、半导体散粒噪声和闪烁噪声等对电路的影响。

5.4 灵敏度分析（Sensitivity Analysis）

目的：分析在工作点附近，各元器件参数值变化时对电路性能影响的敏感程度。
作用：预先知道哪些元件对电路性能影响最大，指导设计和选型。

5.5 统计分析（Statistical Analysis）

目的：考虑元器件参数存在制造容差的情况，评估电路性能的统计分布。
子类型 ：
- **蒙特卡罗分析 **(Monte Carlo)：使用统计模拟方法，估算电路性能的中心值、方差、合格率等。
- **最坏情况分析 **(Worst Case)：估算当所有元件参数在其容差边界取值时，电路性能可能出现的最大偏差。

6. SPICE网表（Netlist）编写详解

网表是描述电路元件、连接关系和仿真指令的纯文本文件。

6.1 基本规则

第一行 必须是标题行（会被打印但不参与仿真）。
最后一行 必须是**.END**。
语句次序随意，但续行（以+开头）除外。
注释行以*开头或在行末以$开头。
节点编号一般为正整数（可不连续），接地点必须为0。
元件名称首字母必须符合规定（见下表）。
文件名、语句长度不能超过256字符。
不区分大小写。

6.2 元件命名规则

首字母	电路元器件	首字母	电路元器件
B	砷化镓场效应管	L	电感
C	电容	M	MOS场效应晶体管
D	二极管	Q	双极型晶体管
E	电压控制电压源	R	电阻
F	电流控制电流源	S	电压控制开关
G	电压控制电流源	T	传输线
H	电流控制电压源	V	独立电压源
I	独立电流源	W	电流控制开关
J	结型场效应晶体管	X	子电路
K	互感（耦合系数）

6.3 元件参数值与单位

比例因子后缀 （必须使用） F=1E-15, P=1E-12, N=1E-9, U=1E-6, M=1E-3, K=1E3, MEG=1E6, G=1E9, T=1E12。
单位后缀 （可省略，会被忽略） V(伏), A(安), HZ(赫), OHM(欧), H(亨), F(法), DEG(度)。
示例： 4K 表示4000欧姆；100PF 表示100皮法。

6.4 主要语句类型

(1) 元件描述语句

电阻 : RXXXX N+ N- VALUE
电容/电感 : CXXXX N+ N- VALUE, LXXXX N+ N- VALUE
二极管 : DXXXX N+ N- MNAME
双极型晶体管 : QXXXX NC NB NE NS MNAME
MOSFET : MXXXX ND NG NS NB MNAME L=... W=...
独立电压源 （瞬态脉冲） VXXXX N+ N- PULSE(V1 V2 TD TR TF PW PER)
独立电压源 （瞬态正弦） VXXXX N+ N- SIN(V0 VA FREQ TD ALPHA PHASE)

(2) 模型，子电路，文件

模型 : .MODEL ModelName TypeName (P1=V1, P2=V2, ...)
- MOS模型LEVEL : LEVEL=1（数字，快）, LEVEL=2/3（模拟，准）, LEVEL=13/39/49（模拟，精）。

子电路:

spice 复制代码

.SUBCKT SubName Node1 Node2 ...
... (子电路内部描述)
.ENDS SubName

调用： X1 in out SubName ...
文件包含 ： .INCLUDE filename

(3) 电路特性分析语句

直流工作点 ： .OP
直流扫描 ： .DC SRC_NAME Vstart Vstop Vincr
瞬态分析 ： .TRAN Tstep Tstop <Tstart> <Tmax>
交流分析 ：（在电压/电流源上定义 AC 参数后，仿真器会自动进行）

(4) 控制语句

初始条件 ： .IC V(node)=val
输出控制 ： .PRINT TRAN V(3) I(R1) 或 .PLOT DC V(3)

6.5 网表示例

共发射极放大电路：